(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ原画を形成する複数の画像形成素子と、
前記複数の画像形成素子からの光束を共通の射出瞳に導いて、複数の前記原画のそれぞれに対応する画像を観察視野における互いに異なる視野領域の画像として提示する観察光学系とを有し、
前記観察光学系は、前記複数の画像形成素子のうち、第１の画像形成素子からの光束を複数の反射面により第１の断面内で折り畳んで前記射出瞳に導く第１の光学系と、第２の画像形成素子からの光束を複数の反射面により第２の断面内で折り畳んで前記射出瞳に導く第２の光学系とを少なくとも含み、
前記第１の断面と前記第２の断面とが、前記射出瞳内の１点から前記観察視野内の１点に向かう軸上で交差していることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記第１の光学系と前記第２の光学系との境界には段差部が形成されており、
前記段差部の側面は、前記射出瞳の中心に向かう方向に延びる形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記第１の断面と前記第２の断面とが交差する角度が直角であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記第１の光学系と前記第２の光学系は、形状、サイズ及び焦点距離のうち少なくとも１つが互いに異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記第１の画像形成素子と前記第２の画像形成素子は、前記原画を形成する領域の形状及びサイズのうち少なくとも１つが異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記観察光学系は、前記複数の画像形成素子のうち、第３の画像形成素子からの光束を複数の反射面により前記第２の断面内で折り畳んで前記射出瞳に導く第３の光学系を含み、
前記第２及び第３の光学系は、前記第１の光学系を挟んだ互いに反対側に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項７】
右眼用の前記観察光学系と、左眼用の前記観察光学系とを有し、
前記右眼用観察光学系により形成される観察視野と前記左眼用観察光学系により形成される観察視野とが、互いに重ならない視野領域を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の原画からの光束を１つの観察領域における互いに異なる視野領域に導いて合成画像を表示するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に用いる観察光学系としては、小型であることが望まれている。特に、観察者の視軸方向において薄型であることが望まれている。また、画像観察における臨場感を増すために、広画角で画像を提示することが望まれている。
【０００３】
一方、人間の視野の領域分類として、以下のようなものがある。
【０００４】
弁別視野：視力等の視機能が優れている領域…画像中心に対して数度の領域
有効視野：眼球運動だけで情報を探索可能な領域…水平±１５°，垂直＋８°〜−１２°
誘導視野：視覚情報の存在とそれが大まかにどのような情報かの判別ができる程度の識別能力しかないが、空間座標系に影響を与える領域…水平±５０°，垂直＋３５°〜−５０°。
【０００５】
観察光学系として望ましい画角としては、非特許文献１には、誘導視野において大画面画像の臨場感を感じるのに必要な画角であると述べられている。したがって、ＨＭＤの視野角としては、誘導視野の全域をカバーするような広画角であることが望ましい。
【０００６】
ただし、誘導視野の全域をカバーしつつ小型で軽量の観察光学系を構成することは困難であり、有効視野を超えて、なるべく誘導視野の画角に近い視野を確保することが現実的である。
【０００７】
薄型の観察光学系を実現するために好適な光学系が、特許文献１にて開示されている。特許文献１にて開示された光学系では、原画からの光束をプリズムに入射させ、該プリズムに形成された複数の偏心反射曲面で光路を折り畳み、該プリズムから射出した光束を瞳に導く。また、この光学系では、アジムス角度により光学的パワーが異なる面を用いて偏心収差を補正する。
【０００８】
ただし、特許文献１にて開示された光学系は、原画からの光束を中間結像させることなく瞳に導くため、小型ではあるものの、液晶パネル等の画像形成素子に表示される原画のサイズに対して達成できる画角の限界が小さい。このため、広画角を達成するためには、原画の形成領域が広い大型の画像形成素子を用いることが必要となる。
【０００９】
画像形成素子が大型であると、観察光学系を広画角で画像を提示可能とすることは容易である。しかし、提示画角のスペックに対して適切な原画形成領域のサイズを有する画像形成素子を常に入手することが困難である。
【００１０】
画角スペックに対して小さい原画形成領域のサイズを有する画像形成素子を用いつつ、広画角での画像提示が可能な観察光学系として、特許文献２，３，４にて開示されたものがある。これらの観察光学系では、互いに異なる視野領域に対応する複数の原画からの光束によって形成される複数の画像を合成して１つの観察視野内に提示する。
【００１１】
特許文献２にて開示された観察光学系は、光学系内にＶ字型のミラーを設け、１つの画像形成素子に形成された一方の原画からの光束をＶ字型ミラーの一方のミラー面で反射して瞳に向かわせる。また、他の画像形成素子に形成された他方の原画からの光束をＶ字型ミラーの他方のミラー面で瞳に向かわせる。また、特許文献２には、一方の原画からの光束をＶ字型ハーフミラーにおける一方のハーフミラーで反射させた後、凹面鏡で反射させ、Ｖ字型ハーフミラーの上記一方のハーフミラーを透過させて瞳に導く観察光学系も開示されている。この観察光学系では、他方の原画からの光束も同様にしてＶ字型ハーフミラーの他方のハーフミラー面と凹面鏡とによって光路を折り畳むようにしている。
【００１２】
特許文献２において、観察光学系の瞳の中心と、合成された画像が提示される観察視野の中心とを結ぶ軸上の光線を中心画角主光線と定義するとき、該中心画角主光線はＶ字型ハーフミラーの頂点部分を通る。さらに、中心画角主光線は、Ｖ字型ハーフミラーと凹面鏡とで光路が折り畳まれる断面が、２つの原画に対して共通である。
【００１３】
また、特許文献３にて開示された観察光学系は、１つの原画からの光束を瞳に導くプリズムの２つを一体化したように形成されるプリズムを用いて、２つの原画からの光束によって形成される２つの画像を１つの観察視野内に提示する。該観察光学系を構成する２つの原画に対応する２つの光学系はそれぞれ、複数の偏心反射曲面によって折り畳まれる中心画角主光線の光路（折り畳み光路）を含む断面が互いに一致するように構成されている。また、２つの原画に対応する２つの光学系が、中心画角主光線を含み、該中心画角主光線の折り畳み光路を含む断面に垂直な断面に対して対称な形に配置された構成を有する。
【００１４】
さらに、特許文献４にて開示された観察光学系では、２つの原画からの光路が観察光学系内で重複しており、２つの画像形成素子に対向配置されたプリズムの入射面が他方の画像形成素子からの光束を反射して瞳に向かわせる反射面としても機能する。つまり、２つの原画に対応する２つの光学系のそれぞれに含まれる光学面が、２つの原画からの光束に対して共用されている。該２つの光学系は、中心画角主光線を含み、該中心画角主光線の折り畳み光路を含む断面に垂直な断面に対して対称な形に配置されている。
【００１５】
このように、特許文献２，３，４ではいずれも、隣接配置又は重複配置された２つの光学系によって２つの原画からの光束により形成される画像を１つの観察視野内で合成している。
【特許文献１】特開平０７−３３３５５１号公報
【特許文献２】特開平０７−２７４０９７号公報
【特許文献３】特開平１１−３２６８２０号公報
【特許文献４】特開平１０−２４６８６５号公報
【非特許文献１】ＯｐｌｕｓＥ  １９８６年１月号  ｐ．１２３〜１２４  生理光学１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
観察光学系全体のサイズ（視軸方向の厚み）を小さくするには、１つの光学系の担う画角が小さい方が好ましい。一方、１つの光学系の担う画角が小さいと、観察光学系全体としての画角をあまり広画角化することができない。
【００１７】
特許文献２〜４にて開示された観察光学系では、２つの画像形成素子と２つの光学系のみを用いているため、１つの光学系の担う画角が大きい。このため、観察光学系の厚みが大きくなり、画像表示装置としての小型化及び薄型化が困難である。
【００１８】
また、特許文献２〜４にて開示された観察光学系では、２つの光学系を隣接配置しているため、一方の画像形成素子からの光束が他方の画像形成素子に到達する確率が高い。該一方の画像形成素子からの光束が他方の画像形成素子の表面で反射されると、この反射光によってゴーストやフレアが発生する可能性がある。
【００１９】
さらに、特許文献２〜４にて開示された観察光学系では、２つの画像形成素子と２つの光学系を用いて水平方向での広画角化を図っている。
【００２０】
誘導視野は、有効視野や人間が感知可能な全体の視野に対して、垂直方向視野に対する水平方向視野の比率が高い。有効視野も、水平方向の方が垂直方向よりも広い。このため、水平方向を優先して広視野化することは合理的である。しかしながら、誘導視野全体をなるべくカバーするような表示を行って臨場感を向上させるには、垂直方向にもある程度の広画角化を達成することが望ましい。
【００２１】
また、特許文献２〜４にて開示された観察光学系では、２つの光学系で視野を等分しているため、視野中心に２つの光学系の継ぎ目が存在することになる。このため、観察者が最も注目することが多い視野中心において、画像が不連続になったり、輝度が低下したり、継ぎ目で発生する不要光によるフレアが発生したりして、提示される画像の品位を低下させる可能性がある。
【００２２】
本発明は、複数の画像形成素子と複数の光学系を含む観察光学系とを用いて、薄型でありながらも、広画角で品位の高い画像の提示が可能な画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の一側面としての画像表示装置は、それぞれ原画を形成する複数の画像形成素子と、該複数の画像形成素子からの光束を共通の射出瞳に導いて、複数の原画のそれぞれに対応する画像を観察視野における互いに異なる視野領域の画像として提示する観察光学系とを有する。観察光学系は、複数の画像形成素子のうち、第１の画像形成素子からの光束を複数の反射面により第１の断面内で折り畳んで射出瞳に導く第１の光学系と、第２の画像形成素子からの光束を複数の反射面により第２の断面内で折り畳んで射出瞳に導く第２の光学系とを少なくとも含む。そして、第１の断面と第２の断面とが、射出瞳内の１点から観察視野内の１点に向かう軸上で交差していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の構成によれば、複数の画像形成素子と複数の光学系を含む観察光学系と有し、薄型で、広画角かつ高品位の画像を提示できる画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１には、本発明の実施例１であるＨＭＤ（画像表示装置）の観察光学系１００の構成を示している。
【００２７】
ＨＭＤは観察者の頭部に装着され、観察光学系１００の射出瞳の位置に観察者の片眼（瞳孔）が配置されることで、良好な画像観察を行わせることができる。
【００２８】
図１中の断面Ａ（ｘｚ断面：第２の断面）は、観察者の頭部に装着された状態において、観察光学系１００を上方から見た場合の断面を示し、断面Ｂ（ｙｚ断面：第１の断面）は、観察光学系１００を側方から見た場合の断面を示す。また、断面Ｃ（ｘｙ断面に平行な面）は、観察光学系１００を背面（射出瞳とは反対側）から見たときの図である。なお、図１には、片眼用の観察光学系１００を示すが、実際のＨＭＤには、右眼用と左眼用に観察光学系１００がそれぞれ設けられる。
【００２９】
１１は第１の光学系、１２は第２の光学系、１３は第３の光学系である。２１は第１の原画を表示する第１の画像形成素子、２２は第２の原画を形成する第２の画像形成素子、２３は第３の原画を表示する第３の画像形成素子である。
【００３０】
第１〜第３の画像形成素子２１〜２３は、液晶パネルや有機ＥＬ等の光変調素子により構成されている。第１〜第３の画像形成素子２１〜２３には、ＨＭＤ内に設けられた駆動回路５００が接続されている。駆動回路５００は、画像供給装置（パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナ等）５０１から入力された画像信号に応じて第１〜第３の画像形成素子２１〜２３に第１〜第３の原画を形成させる。本実施例の画像表示装置（ＨＭＤ）と画像供給装置５０１とにより画像表示システムが構成される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【００３１】
図２Ａには、第２の画像形成素子２２に形成される第２の原画を示している。また、図２Ｂには、第１の画像形成素子２１に形成される第１の原画を示している。さらに、図２Ｃには、第３の画像形成素子２３に形成される第３の原画を示している。
【００３２】
第１〜第３の光学系１１〜１３は、第１〜第３の画像形成素子２１〜２３からの光束を共通の射出瞳Ｓに導いて、第１〜第３の原画のそれぞれに対応する画像を観察視野における互いに異なる視野領域（第１〜第３の視野領域θ１〜θ３）の画像として提示する。これにより、提示される画像は、図２Ｄに示すように、互いに異なる３つの視野領域（つまりは画角）の３つの画像が全体として１つの広画角画像を構成するように合成された（繋がった）合成画像となる。
【００３３】
図１において、断面Ａは、第２及び第３の光学系１２，１３の偏心断面である。また、断面Ｂは、第１の光学系１１の偏心断面である。Ｓは観察光学系１００の射出瞳である。偏心断面Ａと偏心断面Ｂは、射出瞳Ｓの中心（１点）から観察視野、つまりは合成画像の中心（１点）に向かう軸であるｚ軸上で直角に交差している。なお、ｘ軸方向が観察視野の水平方向を、ｙ軸方向が観察視野の垂直方向を示している。
【００３４】
第１の光学系１１は、面（反射面兼射出透過面）Ｓ１１、面（反射面）Ｓ１２及び面（入射透過面）Ｓ１３を有する。第２の光学系１２は、面（反射面兼射出透過面）Ｓ２１、面（反射面）Ｓ２２及び面（入射透過面）Ｓ２３を有する。第３の光学系１３は、面（反射面兼射出透過面）Ｓ３１、面（反射面）Ｓ３２及び面（入射透過面）Ｓ３３を有する。
【００３５】
第１〜第３の光学系１１〜１３（つまりは観察光学系１００）は、１より大きい屈折率を有する媒質で満たされた単一の光学素子１上に面Ｓ１１〜Ｓ３３が形成されることによって構成されている。なお、光学素子１は、一体成型された素子であってもよいし、第１〜第３の光学系１１〜１３を構成する３つの素子が互いに接着されて一体化されたものであってもよい。このことは、後述する他の実施例でも同じである。また、面Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２は、偏心反射面である。
【００３６】
第１の画像形成素子２１に形成された第１の原画からの光束は、第１の光学系１１の面Ｓ１３から光学素子１に入射して、反射面Ｓ１１で反射され、反射面Ｓ１２で反射された後、面Ｓ１１を透過して射出瞳Ｓに導かれる。
【００３７】
面Ｓ１１〜Ｓ１３のうち少なくとも１つが曲面形状、すなわち光学的パワーを有することで、射出瞳Ｓの位置に眼（瞳孔）を置いた観察者は、第１の原画の拡大された虚像（画像）を第１の視野領域θ１にて観察することができる。特に、反射面としてのみ用いられる面Ｓ１２を凹面鏡形状として、該面Ｓ１２に原画の拡大虚像を形成するためのパワーを持たせることが望ましい。これは、面Ｓ１２での反射は屈折率が１より大きい媒質内での反射であるため、屈折面に比べて少ない曲率で強いパワーを得ることができ、また色収差の発生も少なくすることができるためである。
【００３８】
また、面Ｓ１２を曲面とすることにより発生する非回転対称な収差（偏心収差）に対しては、面Ｓ１２を非回転対称形状とすることでこれを抑制することが望ましい。これにより、第１の光学系１１を偏心光学系としたことによる画質の劣化が抑えられた良好な画像を提示することが可能になる。
【００３９】
面Ｓ１１〜Ｓ１３の全てを曲面形状とし、拡大虚像を形成するパワーをこれらの面Ｓ１１〜Ｓ１３で分担することにより、各面での収差の発生を抑制することがより好ましい。また、面Ｓ１１〜Ｓ１３の全てを非回転対称形状することで、面Ｓ１２を非回転対称形状とするだけでは抑制できない偏心収差をより良好に補正することができる。
【００４０】
また、射出瞳Ｓを形成する有効光束が、面Ｓ１１での反射時には該面Ｓ１１に臨界角より大きい角度で入射して内部全反射し、面Ｓ１１での透過時には該面Ｓ１１に臨界角より小さい角度で入射して透過するようにすることが望ましい。これにより、第１の光学系１１での光量損失を少なくして、明るい画像を提示することが可能となる。
【００４１】
このように、第１の光学系１１は、複数の反射面Ｓ１１，Ｓ１２を用いて第１の原画（第１の画像形成素子２１）からの光束の光路を折り畳み、かつ反射面Ｓ１２を小さい曲率で強いパワーが得られるように形成している。これにより、第１の光学系１１を、視軸方向（ｚ軸方向）において薄型の光学系としている。
【００４２】
また、面Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３１は、それぞれの原画に対応した虚像間の境界が観察されないように、連続した面であることが好ましい。例えば、面Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３１が、面Ｓ１１における有効光束の通過領域上に面を定義するための原点が設定された１つの曲面式で表されることが好ましい。これにより、観察者の瞳孔の中心が観察光学系の射出瞳Ｓの中心に対してずれたときに、合成画像を構成する画像間の繋ぎ目が欠落して見えたり、３つの視野領域の画像が不連続に歪んで見えたりするといった画質の劣化を低減することができる。
【００４３】
上述した好ましい又は望ましい構成は、本実施例の第２及び第３の光学系１２，１３や他の実施例における各光学系についても同様に適用される。
【００４４】
第２の画像形成素子２２に形成された第２の原画からの光束は、第２の光学系１２の面Ｓ２３から光学素子１に入射し、反射面Ｓ２１で反射され、反射面Ｓ２２で反射された後、面Ｓ２１を透過して射出瞳Ｓに導かれる。この光路中の光学面のパワーによって射出瞳Ｓの位置に瞳孔を置いた観察者は、第２の原画の拡大虚像（画像）を第２の視野領域θ２にて観察することができる。
【００４５】
第３の画像形成素子２３に形成された第３の原画からの光束は、第３の光学系１３の面Ｓ３３から光学素子１に入射し、反射面Ｓ３１で反射され、反射面Ｓ３２で反射され後、面Ｓ３１を透過して射出瞳Ｓに導かれる。この光路中の光学面のパワーによって射出瞳Ｓの位置に瞳孔を置いた観察者は、第３の原画の拡大虚像（画像）を第３の視野領域θ３にて観察することができる。第２及び第３の光学系１２，１３は、第１の光学系１１が画像を提示する第１の視野領域θ１を挟んだ互いに反対側の２つの視野領域θ２，θ３に画像を提示する。
【００４６】
このように３つの原画からの光束がそれぞれ対応する光学系を通って射出瞳Ｓに導かれることにより、観察者はそれらの原画の拡大虚像が１つに合成された合成画像を第１〜第３の視野領域θ１〜θ３により構成される観察視野内で観察することができる。第１の視野領域θ１は、水平方向においてｚ軸を中心とした視野領域であり、第２及び第３の視野領域θ２，θ３のそれぞれ（及びそれらの合計）よりも広い。
【００４７】
本実施例においては、第２の光学系１２と第３の光学系１３は、それぞれが光束（光路）を折り畳む断面である偏心断面（ｘｚ断面）が同じ光学系である。偏心断面は、別の言い方をすれば、原画の中心と観察光学系の射出瞳Ｓの中心とを通る光線が偏心反射面によって反射される断面である。
【００４８】
本実施例では、前述したように、第１の光学系１１の偏心断面Ｂと、第２及び第３の光学系１２，１３の偏心断面Ａとがそれぞれ、射出瞳Ｓの中心から観察視野（以下、合成視野ともいう）の中心に向かうｚ軸上で直角に交差している。
【００４９】
そして、同一の偏心断面Ａを有する第２及び第３の光学系１２，１３は、該偏心断面Ａに直交する偏心断面Ｂを有する第１の光学系１１を挟んで互いに反対側に配置されている。
【００５０】
第２及び第３の画像形成素子２２，２３のうち、一方の画像形成素子からの光束が他方の画像形成素子に到達するためには、該光束は、第２の光学系１２と第１の光学系１１との境界及び第１の光学系１１と第３の光学系１３との境界を通過しなければならない。このため、同一の偏心断面を有する２つの光学系を隣接配置した従来の観察光学系に比べて、一方の画像形成素子から他方の画像形成素子に到達する光束の量が減少する。
【００５１】
また、第２及び第３の光学系１２，１３は、偏心断面が異なる第１の光学系１１を間に挟んでいる。このため、第２及び第３の画像形成素子２２，２３のうち一方の画像形成素子から偏心断面Ａ上を進む光束は、第１の光学系１１を構成する面に当たると、偏心断面Ａとは異なる偏心断面上を進む光束となり、他方の画像形成素子に対して外れた方向に向かう。
【００５２】
これらの２つの作用によって、同一の偏心断面Ａを有する第２及び第３の光学系１２，１３に対応する一方の画像形成素子からの光束が他方の画像形成素子に入射する光束の量を減少させることができる。この結果、不要光としてのゴーストやフレアの発生を抑制することができる。
【００５３】
図１の断面Ａに現れているように、光学素子１の背面側における第１の光学系１１と第２及び第３の光学系１２，１３との境界には、段差部１０１，１０２が形成されている。そして、段差部１０１，１０２の側面は、観察光学系の射出瞳Ｓの中心に向かう方向に延びる形状を有することが好ましい。これにより、原画の繋ぎ目での画像の欠けや輝度低下が生じないように画像合成を行うことが可能となる。
【００５４】
また、段差部１０１，１０２や第１の光学系１１と第２及び第３の光学系１２，１３との境界のエッジ部には遮光膜を形成して、エッジ散乱や迷光による不要光の発生を抑制することが好ましい。
【００５５】
ここで、第１〜第３の光学系１１〜１３をそれぞれ構成する３つの素子を同じ形状（寸法）に形成し、これらを接合して光学素子１を製作すると、面Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３１を３つの原画に対応した虚像間の境界が観察されないような連続面とすることが難しい。このため、第１の光学系１１を構成する素子と第２及び第３の光学系１２，１３を構成する２つの素子の形状を異ならせ、これらを接合して光学素子１を製作するのが好ましい。
【００５６】
そして、このためには、第１の画像形成素子２１と第２及び第３の画像形成素子２２，２３として、原画の有効形成領域のサイズ（有効サイズ）が異なるものを用いることが好ましい。具体的には、第１の画像形成素子２１に比べて、第２及び第３の画像形成素子２２，２３の有効サイズを小さくするとよい。
【００５７】
これにより、面Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３１を３つの原画に対応した虚像間の境界が観察されないような連続面とすることが容易になる。また、第２及び第３の画像形成素子２２，２３として、ＨＭＤの全画角のうち第１の画像形成素子２１に対応する画角部分以外の画角部分に応じて適切な有効サイズを有するものを選択することができる。したがって、３つの画像形成素子２１〜２３及び３つの光学系１１〜１３を含むＨＭＤの小型化を図ることができる。
【００５８】
また、第１の光学系２１と第２及び第３の光学系２２，２３が形成する第１〜第３の視野領域は、図２Ａ〜図２Ｃに示すものに限られない。図３Ａ〜図３Ｃには、第１〜第３の視野領域の他の例を示している。なお、第１の視野領域θ１が、水平方向においてｚ軸を中心とした視野領域であり、第２及び第３の視野領域θ２，θ３のそれぞれよりも広い点では、図２Ａ〜図２Ｃに示した例と同じである。
【００５９】
図３Ａは、第１の視野領域の垂直方向画角が、第２及び第３の視野領域の垂直方向画角に比べて大きい場合の例である。この場合、第１の視野領域が水平方向で３０°以上、垂直方向で２０°以上であると、観察者が合成視野（合成画像）の中心を注視した場合に、第１の視野領域と第２及び第３の視野領域との境界が観察者の有効視野から外れる。このため、合成画像を構成する画像間の繋ぎ目で仮に画像の不連続や輝度低下等が生じた場合でも、合成画像の中心を注視する場合が多い一般的な観察状態においては、有効視野やその周辺における情報の瞬時把握が可能な視野に含まれる画像は影響を受けない。このため、画質劣化が認識されにくい観察光学系を構築することができる。
【００６０】
図３Ｂは、第１の視野領域の垂直方向画角が第２及び第３の視野領域の垂直方向画角に比べて小さい場合の図である。この場合、第１の視野領域と第２及び第３の視野領域との境界が観察者の有効視野内に入る可能性があるが、光学系の厚みをより薄くすることができる。
【００６１】
図３Ａでは、第２及び第３の視野領域の垂直方向での中心が、第１の視野領域の垂直方向での中心と同じ高さ位置にある例を示した。しかし、図３Ｃに示すように、第２及び第３の視野領域の垂直方向での中心を第１の視野領域の垂直方向での中心よりも上方にずらしてもよい。この例は、第１の視野領域が観察者の有効視野に対して十分に広く、かつ合成視野が誘導視野に対して不足する場合に、合成視野と誘導視野との差異が上下左右で均一に近づき、臨場感を高めるのに好ましい例である。この場合、第１の光学系１１の偏心断面と第２及び第３の光学系１２，１３の偏心断面とが交差することで形成される直線（軸）は、射出瞳Ｓの中心から合成視野の中心に向かうｚ軸に平行な軸である。言い換えれば、射出瞳Ｓの中心から合成視野の中心に向かうｚ軸と同様に、射出瞳内の１点から合成視野内（観察視野内）の１点に向かう軸である。
【００６２】
以上の視野領域のバリエーションは、偏心断面が互いに異なる第１の光学系と第２及び第３の光学系との間で、画像形成素子の形状や有効サイズを異ならせたり、光学系の形状、サイズ、焦点距離等を含む光学系の仕様を異ならせたりすることで実現される。
【００６３】
さらに、図２Ａ〜図２Ｃ及び図３Ａ〜図３Ｃでは、第１〜第３の視野領域が互いにオーバーラップすることなく形成される場合について説明した。しかし、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、第１〜第３の視野領域を互いにオーバーラップさせてもよい。この場合、同図に示すように、第１〜第３の原画も互いに重複する部分を含むように形成される。図４Ｄには、この場合の合成画像を示している。この例によれば、観察者の瞳孔が観察光学系の射出瞳Ｓからずれた場合に、合成画像を構成する画像間の繋ぎ目が欠落して見えてしまうことを防止できる。
【００６４】
本実施例では、偏心断面Ｂを有する第１の光学系１１の両側に配置された第２及び第３の光学系１２，１３の偏心断面Ａにおいて、３つ（奇数個）の画像を３つ（奇数個）の光学系１１〜１３によって１つの画像に合成している。この場合、第１の光学系１１の偏心断面Ｂに対して面対称となるように３つの光学系１１〜１３を構成するとよい。つまり、前述したように、第１の視野領域を水平方向においてｚ軸を中心とした視野領域とし、その両側に互いに同一の画角に相当する第２及び第３の視野領域を形成するとよい。これは、水平方向では有効視野も誘導視野も左右対称な視野となっており、弁別視野に（より望ましくは有効視野）に合成画像を構成する画像の繋ぎ目が入らない構成にし易いためである。
【００６５】
本実施例の観察光学系１００は、３つの原画からの光束の光路を３つの偏心光学系１１〜１３によって偏心断面内で折り畳み、該３つの原画に対応する３つの画像を合成して１つの合成画像として観察させる。このため、各光学系の厚みに対して観察光学系の全体により提示できる画角がきわめて広い。
【実施例２】
【００６６】
図５には、本発明の実施例２であるＨＭＤ（画像表示装置）の観察光学系１００Ｌ，１００Ｒの構成を示している。
【００６７】
ＨＭＤは観察者の頭部に装着され、観察光学系１００Ｌ，１００Ｒの射出瞳の位置に観察者の両眼（瞳孔）が配置されることで、良好な画像観察を行わせることができる。
【００６８】
図５中の断面Ａ（ｘｚ断面：第２の断面）は、観察者の頭部に装着された状態において、観察光学系１００Ｌ，１００Ｒを上方から見た場合の断面を示し、断面Ｂ（ｙｚ断面：第１の断面）は、観察光学系１００Ｒを側方から見た場合の断面を示す。また、断面Ｃ（ｘｙ断面）は、観察光学系１００Ｌ，１００Ｒを背面（射出瞳とは反対側）から見たときの図である。
【００６９】
右眼用の観察光学系１００Ｒにおいて、１１Ｒは第１の光学系、１２Ｒは第２の光学系である。また、左眼用の観察光学系１００Ｌにおいて、１１Ｌは第１の光学系、１３Ｌは第２の光学系である。
【００７０】
２１Ｒ，２２Ｒはそれぞれ、右眼用の第１の原画及び第２の原画を形成する第１の画像形成素子及び第２の画像形成素子である。２１Ｌ，２３Ｌはそれぞれ、左眼用の第１の原画及び第２の原画を形成する第３の画像形成素子及び第４の画像形成素子である。
【００７１】
図６Ａには、第４の画像形成素子２３Ｌに形成される左眼用の第２の原画を示している。また、図６Ｂには、第３の画像形成素子２１Ｌに形成される左眼用の第１の原画を示している。また、図６Ｃには、第１の画像形成素子２１Ｒに形成される右眼用の第１の原画を示している。さらに、図６Ｄには、第２の画像形成素子２２Ｒに形成される右眼用の第２の原画を示している。
【００７２】
右眼用の第１及び第２の光学系１１Ｒ，１２Ｒは、第１及び第２の画像形成素子２１Ｒ，２２Ｒからの光束を右眼用の共通の射出瞳ＳＲに導く。これにより、右眼用の第１及び第２の原画のそれぞれに対応する画像を右眼観察視野における互いに異なる視野領域（第１及び第２の視野領域θ１Ｒ，θ２Ｒ）の画像として提示する。一方、左眼用の第１及び第２の光学系１１Ｌ，１３Ｌは、第３及び第４の画像形成素子２１Ｌ，２３Ｌからの光束を左眼用の共通の射出瞳ＳＬに導く。これにより、左眼用の第１及び第２の原画のそれぞれに対応する画像を左眼観察視野における互いに異なる視野領域（第３及び第４の視野領域θ１Ｌ，θ３Ｌ）の画像として提示する。
【００７３】
こうして両眼に対して提示される画像は、図６Ｅに示すように、互いに異なる４つの視野領域（つまりは画角）の４つの画像が全体として１つの広画角画像を構成するように合成された（繋がった）合成画像となる。
【００７４】
図５において、断面Ａは、右眼用及び左眼用の第２の光学系１２Ｒ，１３Ｌの偏心断面である。また、断面Ｂは、右眼用及び左眼用の第１の光学系１１Ｒ，１１Ｌの偏心断面である。右眼用の観察光学系１００Ｒにおいて、偏心断面Ａと偏心断面Ｂは、射出瞳ＳＲの中心（１点）から観察視野、つまりは合成画像の中心（１点）に向かう軸であるｚ軸（視軸）上で直角に交差している。また、左眼用の観察光学系１００Ｌにおいて、偏心断面Ａと偏心断面Ｂは、射出瞳ＳＬの中心（１点）から観察視野、つまりは合成画像の中心（１点）に向かう軸（視軸）上で直角に交差している。左眼用の観察光学系１００Ｌにおいて、射出瞳ＳＬの中心から合成画像の中心に向かう軸は、ｚ軸に平行な軸である。
【００７５】
右眼用の第１の光学系１１Ｒは、面（反射面兼射出透過面）Ｓ１１Ｒ、面（反射面）Ｓ１２Ｒ及び面（入射透過面）Ｓ１３Ｒを有する。また、右眼用の第２の光学系１２Ｒは、面（反射面兼射出透過面）Ｓ２１Ｒ、面（反射面）Ｓ２２Ｒ及び面（入射透過面）Ｓ２３Ｒを有する。
【００７６】
右眼用の第１及び第２の光学系１１Ｒ，１２Ｒ（つまりは観察光学系１００Ｒ）は、１より大きい屈折率を有する媒質で満たされた単一の光学素子１Ｒ上に面Ｓ１１Ｒ〜Ｓ２３Ｒが形成されることによって構成されている。
【００７７】
左眼用の第１の光学系１１Ｌは、面（反射面兼射出透過面）Ｓ１１Ｌ、面（反射面）Ｓ１２Ｌ及び面（入射透過面）Ｓ１３Ｌを有する。また、左眼用の第２の光学系１３Ｌは、面（反射面兼射出透過面）Ｓ３１Ｌ、面（反射面）Ｓ３２Ｌ及び面（入射透過面）Ｓ３３Ｌを有する。
【００７８】
左眼用の第１及び第２の光学系１１Ｌ，１３Ｌ（つまりは観察光学系１００Ｌ）は、１より大きい屈折率を有する媒質で満たされた単一の光学素子１Ｌ上に面Ｓ１１Ｌ〜Ｓ３３Ｌが形成されることによって構成されている。
【００７９】
面Ｓ１１Ｒ，Ｓ１２Ｒ，Ｓ２１Ｒ，Ｓ２２Ｒ，Ｓ１１Ｌ，Ｓ１２Ｌ，Ｓ３１Ｌ，Ｓ３２Ｌは、偏心反射面である。
【００８０】
右眼用の第１の画像形成素子２１Ｒに形成された右眼用の第１の原画からの光束は、面Ｓ１３Ｒから光学素子１Ｒに入射し、反射面Ｓ１１Ｒで反射され、反射面Ｓ１２Ｒで反射された後、面Ｓ１１Ｒを透過して右眼用観察光学系１００Ｒの射出瞳ＳＲに導かれる。面Ｓ１１Ｒ，Ｓ１２Ｒ，Ｓ１３Ｒのうち少なくとも１つ面（望ましくは全ての面）は、曲面形状、すなわち光学的パワーを有する。これにより、射出瞳ＳＲの位置に右眼（瞳孔）を置いた観察者は、右眼用の第１の原画の拡大虚像を第１の視野領域θ１Ｒにて観察することができる。
【００８１】
右眼用の第２の画像形成素子２２Ｒに形成された右眼用の第２の原画からの光束は、面Ｓ２３Ｒから光学素子１Ｒに入射し、反射面Ｓ２１Ｒで反射され、反射面Ｓ２２Ｒで反射された後、面Ｓ２１Ｒを透過して右眼用観察光学系１００Ｒの射出瞳ＳＲに導かれる。面Ｓ２１Ｒ，Ｓ２２Ｒ，Ｓ２３Ｒのうち少なくとも１つ面（望ましくは全ての面）の光学的パワーによって、射出瞳ＳＲの位置に右眼を置いた観察者は、右眼用の第２の原画の拡大虚像を第２の視野領域θ２Ｒにて観察することができる。こうして右眼に対して提示される画像は、第１及び第２の視野領域θ１Ｒ，θ２Ｒの２つの画像が繋がった合成画像となる。
【００８２】
左眼用の第３の画像形成素子２１Ｌに形成された左眼用の第１の原画からの光束は、面Ｓ１３Ｌから光学素子１Ｌに入射し、反射面Ｓ１１Ｌで反射され、反射面Ｓ１２Ｌで反射された後、面Ｓ１１Ｌを透過して左眼用観察光学系１００Ｌの射出瞳ＳＬに導かれる。面Ｓ１１Ｌ，Ｓ１２Ｌ，Ｓ１３Ｌのうち少なくとも１つ面（望ましくは全ての面）の光学的パワーによって、射出瞳ＳＬの位置に左眼（瞳孔）を置いた観察者は、左眼用の第１の原画の拡大虚像を第３の視野領域θ１Ｌにて観察することができる。
【００８３】
左眼用の第４の画像形成素子２３Ｌに形成された左眼用の第２の原画からの光束は、面Ｓ３３Ｌから光学素子１Ｌに入射し、反射面Ｓ３１Ｌで反射され、反射面Ｓ３２Ｌで反射された後、面Ｓ３１Ｌを透過して左眼用観察光学系１００Ｌの射出瞳ＳＬに導かれる。面Ｓ３１Ｌ，Ｓ３２Ｌ，Ｓ３３Ｌのうち少なくとも１つ面（望ましくは全ての面）の光学的パワーによって、射出瞳ＳＬの位置に左眼を置いた観察者は、左眼用の第２の原画の拡大虚像を第４の視野領域θ３Ｌにて観察することができる。こうして左眼に対して提示される画像は、第３及び第４の視野領域θ１Ｌ，θ３Ｌの２つの画像が繋がった合成画像となる。
【００８４】
ここで、右眼用の第１の原画と左眼用の第１の原画は、互いに両眼の視差分だけ異なる画像を第１の視野領域θ１Ｒ及び第３の視野領域θ１Ｌに提示する。また、右眼用の第２の原画は、右眼用の第１の原画により提示される画像の右側に隣接する画像を第２の視野領域θ２Ｒに提示する。さらに、左眼用の第２の原画は、左眼用の第１の原画により提示される画像の左側に隣接する画像を第４の視野領域θ３Ｌに提示する。これらの４つの画像が両眼視による観察者の脳内で合成されることにより、観察者は、第１及び第３の視野領域θ１Ｒ，θ１Ｌに相当する中心視野で画像を立体観察することができ、左右の周辺視野で画像を２Ｄ観察する。
【００８５】
本実施例では、右眼用及び左眼用の観察光学系１００Ｒ，１００Ｌのそれぞれでは、同一の偏心断面を有する光学系は存在しない、しかも、右眼用及び左眼用の観察光学系１００Ｒ，１００Ｌは互いに独立して構成されている。このため、右眼用及び左眼用の観察光学系１００Ｒ，１００Ｌのそれぞれ、及び両観察光学系１００Ｒ，１００Ｌ間において、１つの画像形成素子からの光束が他の画像形成素子に入射する可能性は低く、フレア等の不要光による画質の劣化は生じにくい。
【００８６】
図５の断面Ａに現れているように、光学素子１Ｒ，１Ｌの背面側における右眼用の第１の光学系１１Ｒと第２の光学系１２Ｒとの境界及び左眼用の第１の光学系１１Ｌと第２の光学系１３Ｌとの境界には、段差部１０２Ｒ，１０２Ｌが形成されている。段差部１０２Ｒ，１０２Ｌの側面はそれぞれ、観察光学系１００Ｒ，１００Ｌの射出瞳ＳＲ，ＳＬの中心に向かう方向に延びる形状を有することが好ましい。これにより、原画の繋ぎ目での画像の欠けや輝度低下が生じないように画像合成を行うことが可能となる。
【００８７】
また、段差部１０２Ｒ，１０２Ｌや第１の光学系１１Ｒ，１１Ｌのエッジ部１０１Ｒ，１０１Ｌには遮光膜を形成して、エッジ散乱や迷光による不要光の発生を抑制することが好ましい。
【００８８】
本実施例では、右眼用及び左眼用の観察光学系１００Ｒ，１００Ｌがそれぞれ、偏心断面Ｂを有する第１の光学系に隣接配置された第２の光学系の偏心断面Ａにおいて、２つ（偶数個）の画像を２つ（偶数個）の光学系によって１つの画像に合成する。右眼用及び左眼用の観察光学系１００Ｒ，１００Ｌは、互いにずれた視軸（ｚ軸及びこれに平行な軸）を有する。
【００８９】
そして、右眼用及び左眼用の観察光学系１００Ｒ，１００Ｌはそれぞれ、２つの画像形成素子と２つの光学系によって合成視野を形成する水平方向において、視軸に対して非対称となるように構成されている。つまり、右眼側の第１の視野領域と左眼側の第３の視野領域とをそれぞれ、水平方向においてｚ軸及びこれに平行な軸を中心とした視野領域とし、それらの一方の外側に第２及び第４の視野領域を形成している。さらに、第１及び第３の視野領域は、水平方向において第３及び第４の視野領域よりも広い。
【００９０】
これにより、観察者が右眼及び左眼の合成画像のそれぞれの中心を注視した場合において、第１の原画に対応する視野領域と第２の原画に対応する視野領域との境界が右眼及び左眼の弁別視野（より望ましくは有効視野）から外れる。このため、合成画像を構成する画像間の繋ぎ目で生じた画像の不連続や輝度低下あるいは不要光による画質劣化が認識されにくい両眼用の観察光学系を構築することができる。
【００９１】
本実施例の観察光学系１００Ｒ，１００Ｌはそれぞれ、２つの原画からの光束の光路を２つの偏心光学系（１１Ｒ，１２Ｒと１１Ｌ，１３Ｌ）によって偏心断面内で折り畳む。そして、該２つの原画に対応する２つの画像を合成して１つの合成画像として左右の眼に観察させる。このため、各光学系の厚みに対して観察光学系の全体により提示できる画角がきわめて広い。
【００９２】
また、本実施例によれば、右眼用観察光学系１００Ｒの中心（右眼用合成画像の中心）と左眼用観察光学系１００Ｌの中心（左眼用合成画像の中心）とが互いに異なり、両観察光学系１００Ｒ，１００Ｌが形成する観察視野に互いに重ならない視野領域を設けている。これにより、観察者の眼幅による光学配置の制限を受けにくい構成を実現することができる。
【実施例３】
【００９３】
図７には、本発明の実施例３であるＨＭＤ（画像表示装置）の観察光学系２００の構成を示している。
【００９４】
ＨＭＤは観察者の頭部に装着され、観察光学系２００の射出瞳の位置に観察者の片眼（瞳孔）が配置されることで、良好な画像観察を行わせることができる。
【００９５】
図７中の断面Ａ（ｘｚ断面：第２の断面）は、観察者の頭部に装着された状態において、観察光学系２００を上方から見た場合の断面を示し、断面Ｂ（ｙｚ断面：第１の断面）は、観察光学系２００を側方から見た場合の断面を示す。また、断面Ｃ（ｘｙ断面）は、観察光学系２００を背面（射出瞳とは反対側）から見たときの図である。なお、図７には、片眼用の観察光学系２００を示すが、実際のＨＭＤには、右眼用と左眼用に観察光学系２００がそれぞれ設けられる。
【００９６】
１１は第１の光学系、１２は第２の光学系、１３は第３の光学系、１４は第４の光学系である。２１は第１の原画を表示する第１の画像形成素子、２２は第２の原画を形成する第２の画像形成素子、２３は第３の原画を表示する第３の画像形成素子、２４は第４の原画を形成する第４の画像形成素子である。
【００９７】
図８Ａには、第３の画像形成素子２３に形成される第３の原画を示している。また、図８Ｂには、第１の画像形成素子２１に形成される第１の原画を示している。図８Ｃには、第４の画像形成素子２４に形成される第４の原画を示している。さらに、図８Ｄには、第２の画像形成素子２２に形成される第２の原画を示している。
【００９８】
第１〜第４の光学系１１〜１４は、第１〜第４の画像形成素子２１〜２４からの光束を共通の射出瞳Ｓに導いて、第１〜第４の原画のそれぞれに対応する画像を観察視野における互いに異なる視野領域（第１〜第４の視野領域θ１〜θ４）の画像として提示する。これにより、提示される画像は、図８Ｅに示すように、互いに異なる４つの視野領域（つまりは画角）の４つの画像が全体として１つの広画角画像を構成するように合成された（繋がった）合成画像となる。
【００９９】
図７において、断面Ａは、第２及び第３の光学系１２，１３の偏心断面である。また、断面Ｂは、第１及び第４の光学系１１，１４の偏心断面である。Ｓは観察光学系２００の射出瞳である。偏心断面Ａと偏心断面Ｂは、射出瞳Ｓの中心（１点）から観察視野、つまりは合成画像の中心（１点）に向かう軸であるｚ軸上で直角に交差している。なお、ｘ軸方向が観察視野の水平方向を、ｙ軸方向が観察視野の垂直方向を示している。
【０１００】
第１の光学系１１は、面（反射面兼射出透過面）Ｓ１１と面（反射面）Ｓ１２と面（入射透過面）Ｓ１３とを有する。第２の光学系１２は、面（反射面兼射出透過面）Ｓ２１、面（反射面）Ｓ２２及び面（入射透過面）Ｓ２３を有する。第３の光学系１３は、面（反射面兼射出透過面）Ｓ３１、面（反射面）Ｓ３２及び面（入射透過面）Ｓ３３を有する。第４の光学系１４は、面（反射面兼射出透過面）Ｓ４１、面（反射面）Ｓ４２及び面（入射透過面）Ｓ４３を有する。
【０１０１】
第１〜第４の光学系１１〜１４（つまりは観察光学系２００）は、１より大きい屈折率を有する媒質で満たされた単一の光学素子２０１上に面Ｓ１１〜Ｓ４３が形成されることによって構成されている。
【０１０２】
面Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ４１，Ｓ４２は、偏心反射面である。
【０１０３】
第１の画像形成素子２１に形成された第１の原画からの光束は、第１の光学系１１の面Ｓ１３から光学素子２０１に入射して、反射面Ｓ１１で反射され、反射面Ｓ１２で反射された後、面Ｓ１１を透過して射出瞳Ｓに導かれる。面Ｓ１１〜Ｓ１３のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）が曲面形状、すなわち光学的パワーを有することで、射出瞳Ｓの位置に眼（瞳孔）を置いた観察者は、第１の原画の拡大された虚像（画像）を第１の視野領域θ１にて観察することができる。
【０１０４】
第２の画像形成素子２２に形成された第２の原画からの光束は、第２の光学系１２の面Ｓ２３から光学素子２０１に入射して、反射面Ｓ２１で反射され、反射面Ｓ２２で反射された後、面Ｓ２１を透過して射出瞳Ｓに導かれる。面Ｓ２１〜Ｓ２３のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）の光学的パワーによって、射出瞳Ｓの位置に眼を置いた観察者は、第２の原画の拡大された虚像（画像）を第２の視野領域θ２にて観察することができる。
【０１０５】
第３の画像形成素子２３に形成された第３の原画からの光束は、第３の光学系１３の面Ｓ３３から光学素子２０１に入射して、反射面Ｓ３１で反射され、反射面Ｓ３２で反射された後、面Ｓ３１を透過して射出瞳Ｓに導かれる。面Ｓ３１〜Ｓ３３のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）の光学的パワーによって、射出瞳Ｓの位置に眼を置いた観察者は、第３の原画の拡大された虚像（画像）を第３の視野領域θ４にて観察することができる。
【０１０６】
第４の画像形成素子２４に形成された第４の原画からの光束は、第４の光学系１４の面Ｓ４３から光学素子２０１に入射して、反射面Ｓ４１で反射され、反射面Ｓ４２で反射された後、面Ｓ４１を透過して射出瞳Ｓに導かれる。面Ｓ４１〜Ｓ４３のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）の光学的パワーによって、射出瞳Ｓの位置に眼を置いた観察者は、第４の原画の拡大された虚像（画像）を第４の視野領域θ４にて観察することができる。
【０１０７】
このように４つの原画からの光束がそれぞれ対応する光学系を通って射出瞳Ｓに導かれることにより、観察者はそれらの原画の拡大虚像が１つに合成された合成画像を第１〜第４の視野領域θ１〜θ４により構成される観察視野内で観察することができる。第１及び第４の視野領域θ１，θ４の合成視野は、水平方向においてｚ軸を中心とした視野領域であり、第２及び第３の視野領域θ２，θ３のそれぞれよりも広い。
【０１０８】
本実施例の観察光学系２００は、同一の偏心断面を有する光学系を２組有している。同一の偏心断面Ｂを有する第１及び第４の光学系１１，１４は垂直方向にて隣接配置されているため、一方の画像形成素子からの光束が他方の画像形成素子に入射し反射されて射出瞳Ｓに導かれ、不要光が発生するおそれがある。これに対し、同一の偏心断面Ａを有する第２及び第３の光学系１２，１３は、第１及び第４の光学系１１，１４を挟んだ互いに反対側に配置されている。このため、一方の画像形成素子からの光束が他方の画像形成素子に入射し反射されて射出瞳Ｓに導かれる不要光は発生しにくい。したがって、フレア等による画質劣化は生じにくい。
【０１０９】
図７の断面Ａに現れているように、光学素子２０１の背面側における第１及び第４の光学系１１，１４と第２及び第３の光学系１２，１３との境界には、段差部１０１，１０２が形成されている。段差部１０１，１０２の側面はそれぞれ、観察光学系２００の射出瞳Ｓの中心に向かう方向に延びる形状を有することが好ましい。これにより、原画の繋ぎ目での画像の欠けや輝度低下が生じないように画像合成を行うことが可能となる。
【０１１０】
また、段差部１０１，１０２には遮光膜を形成して、エッジ散乱や迷光による不要光の発生を抑制することが好ましい。
【０１１１】
本実施例の観察光学系２００では、図７に示す断面Ｂの方向に２つの光学系１１，１４が設けられている。これら２つの光学系１１，１４によって形成される合成画像の中心は、視軸であるｚ軸に対して数度ずれていることが好ましい。これにより、第１の原画に対応する第１の視野領域と第４の原画に対応する第４の視野領域との境界は、観察者の有効視野には含まれるが、弁別視野からは外れる。このため、一般的な観察状態において最も高い解像力が要求される合成画像の中心付近で、合成画像を構成する画像間の繋ぎ目で生じた画像の不連続や輝度低下あるいは不要光による画質劣化が認識されにくい観察光学系を構築することができる。また、このような構成によれば、誘導視野に対する上下視野の不足量を均一化し、臨場感をより高めることができる。
【０１１２】
本実施例の観察光学系２００は、４つの原画からの光束の光路を４つの偏心光学系１１〜１４によって偏心断面内で折り畳み、該４つの原画に対応する４つの画像を合成して１つの合成画像として観察させる。このため、各光学系の厚みに対して観察光学系２００の全体により提示できる画角がきわめて広い。
【実施例４】
【０１１３】
図９には、本発明の実施例４であるＨＭＤ（画像表示装置）の観察光学系３００の構成を示している。
【０１１４】
ＨＭＤは観察者の頭部に装着され、観察光学系３００の射出瞳の位置に観察者の片眼（瞳孔）が配置されることで、良好な画像観察を行わせることができる。
【０１１５】
図９中の断面Ａ（ｘｚ断面：第２の断面）は、観察者の頭部に装着された状態において、観察光学系３００を上方から見た場合の断面を示し、断面Ｂ（ｙｚ断面：第１の断面）は、観察光学系３００を側方から見た場合の断面を示す。また、断面Ｃ（ｘｙ断面）は、観察光学系３００を背面（射出瞳とは反対側）から見たときの図である。なお、図９には、片眼用の観察光学系３００を示すが、実際のＨＭＤには、右眼用と左眼用に観察光学系２００がそれぞれ設けられる。
【０１１６】
１１は第１の光学系、１２は第２の光学系、１３は第３の光学系、１４は第４の光学系、１５は第５の光学系である。２１は第１の原画を表示する第１の画像形成素子、２２は第２の原画を形成する第２の画像形成素子、２３は第３の原画を表示する第３の画像形成素子である。２４は第４の原画を形成する第４の画像形成素子、２５は第５の原画を形成する第５の画像形成素子である。
【０１１７】
図１０Ａには、第３の画像形成素子２３に形成される第３の原画を示している。また、図１０Ｂには、第１の画像形成素子２１に形成される第１の原画を示している。図１０Ｃには、第４の画像形成素子２４に形成される第４の原画を示している。図１０Ｄには、第２の画像形成素子２２に形成される第２の原画を示している。さらに、図１０Ｅには、第５の画像形成素子２５に形成される第５の原画を示している。
【０１１８】
第１〜第５の光学系１１〜１５は、第１〜第５の画像形成素子２１〜２５からの光束を共通の射出瞳Ｓに導いて、第１〜第５の原画のそれぞれに対応する画像を観察視野における互いに異なる視野領域（第１〜第５の視野領域θ１〜θ５）の画像として提示する。これにより、提示される画像は、図１０Ｆに示すように、互いに異なる５つの視野領域（つまりは画角）の５つの画像が全体として１つの広画角画像を構成するように合成された（繋がった）合成画像となる。
【０１１９】
観察光学系３００は、屈折率が１より大きい媒質で満たされた光学素子１５２により構成された第５の光学系１５の上下左右に、中空構造の第１〜第４の光学系１１〜１４が配置されて構成されている。
【０１２０】
図９において、断面Ａは、第２及び第３の光学系１２，１３の偏心断面である。また、断面Ｂは、第１及び第４の光学系１１，１４の偏心断面である。第５の光学系１５は回転対称形状を有し、偏心断面は有していない。Ｓは観察光学系３００の射出瞳である。偏心断面Ａと偏心断面Ｂは、射出瞳Ｓの中心（１点）から観察視野、つまりは合成画像の中心（１点）に向かう軸であるｚ軸上で直角に交差している。なお、ｘ軸方向が観察視野の水平方向を、ｙ軸方向が観察視野の垂直方向を示している。
【０１２１】
第１の光学系１１は、面（反射面兼透過面）Ｓ１１及び面（透過面）Ｓ１４を有する素子１１１と、面（反射面）Ｓ１２を有する素子１１２と、面（入射透過面）Ｓ１３及び面（透過面）Ｓ１５を有する素子１１３とにより構成されている。
【０１２２】
第２の光学系１２は、面（反射面兼透過面）Ｓ２１及び面（透過面）Ｓ２４を有する素子１２１と、面（反射面）Ｓ２２を有する素子１２２と、面（入射透過面）Ｓ２３及び面（透過面）Ｓ２５を有する素子１２３とにより構成されている。
【０１２３】
第３の光学系１３は、面（反射面兼透過面）Ｓ３１及び面（透過面）Ｓ３４を有する素子１３１と、面（反射面）Ｓ３２を有する素子１３２と、面（入射透過面）Ｓ３３及び面（透過面）Ｓ３５を有する素子１３３とにより構成されている。
【０１２４】
第４の光学系１４は、面（反射面兼透過面）Ｓ４１及び面（透過面）Ｓ４４を有する素子１４１と、面（反射面）Ｓ４２を有する素子１４２と、面（入射透過面）Ｓ４３及び面（透過面）Ｓ４５を有する素子１４３とにより構成されている。
【０１２５】
第５の光学系１５は、面（透過面）Ｓ５１及び面（射出透過面）Ｓ５４を有する素子１５１と、面（入射透過面）Ｓ５２及び面（透過面）Ｓ５３を有する素子１５２とにより構成されている。
【０１２６】
面Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ４１，Ｓ４２は、偏心反射面である。
【０１２７】
第１の画像形成素子２１に形成された第１の原画からの光束は、面Ｓ１３及び面Ｓ１５を通過することで素子１１３のレンズ作用を受けた後、半透過反射膜が形成された反射面Ｓ１１で反射されて素子１１２に向かう。素子１１２の面Ｓ１２上には反射膜が形成されている。反射面Ｓ１２で反射された光束は、面Ｓ１１及び面Ｓ１４を有する素子１１１を透過して観察光学系３００の射出瞳Ｓに導かれる。これら面のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）が曲面形状、すなわち光学的パワーを有することにより、射出瞳Ｓの位置に眼（瞳孔）を置いた観察者は、第１の原画の拡大虚像（画像）を第１の視野領域θ１にて観察することができる。
【０１２８】
第２の画像形成素子２２に形成された第２の原画からの光束は、面Ｓ２３及び面Ｓ２５を通過することで素子１２３のレンズ作用を受けた後、半透過反射膜が形成された反射面Ｓ２１で反射されて素子１２２に向かう。素子１２２の面Ｓ２２上には反射膜が形成されている。反射面Ｓ２２で反射された光束は、面Ｓ２１及び面Ｓ２４を有する素子１２１を透過して観察光学系３００の射出瞳Ｓに導かれる。これら面のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）の光学的パワーにより、射出瞳Ｓの位置に眼（瞳孔）を置いた観察者は、第２の原画の拡大虚像（画像）を第２の視野領域θ２にて観察することができる。
【０１２９】
第３の画像形成素子２３に形成された第３の原画からの光束は、面Ｓ３３及び面Ｓ３５を通過することで素子１３３のレンズ作用を受けた後、半透過反射膜が形成された反射面Ｓ３１で反射されて素子１３２に向かう。素子１３２の面Ｓ３２上には反射膜が形成されている。反射面Ｓ３２で反射された光束は、面Ｓ３１及び面Ｓ３４を有する素子１３１を透過して観察光学系３００の射出瞳Ｓに導かれる。これら面のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）の光学的パワーにより、射出瞳Ｓの位置に眼（瞳孔）を置いた観察者は、第３の原画の拡大虚像（画像）を第３の視野領域θ３にて観察することができる。
【０１３０】
第４の画像形成素子２４に形成された第４の原画からの光束は、面Ｓ４３及び面Ｓ４５を通過することで素子１４３のレンズ作用を受けた後、半透過反射膜が形成された反射面Ｓ４１で反射されて素子１４２に向かう。素子１４２の面Ｓ４２上には反射膜が形成されている。反射面Ｓ４２で反射された光束は、面Ｓ４１及び面Ｓ４４を有する素子１４１を透過して観察光学系３００の射出瞳Ｓに導かれる。これら面のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）の光学的パワーにより、射出瞳Ｓの位置に眼（瞳孔）を置いた観察者は、第４の原画の拡大虚像（画像）を第４の視野領域θ４にて観察することができる。
【０１３１】
第５の画像形成素子２５に形成された第５の原画からの光束は、面Ｓ５２及び面Ｓ５３を通過してハーフミラー反射面Ｓ５１で反射される。さらに、該反射光束は、面Ｓ５３を通過してハーフミラー反射面Ｓ５２で反射され、面Ｓ５３，面Ｓ５１及び面Ｓ５４を透過して観察光学系３００の射出瞳Ｓに導かれる。これら面のうち少なくとも１つ（望ましくは全ての面）の屈折力により、射出瞳Ｓの位置に眼（瞳孔）を置いた観察者は、第５の原画の拡大虚像（画像）を第５の視野領域θ５にて観察することができる。
【０１３２】
このように５つの原画からの光束がそれぞれ対応する光学系を通って射出瞳Ｓに導かれることにより、観察者はそれらの原画の拡大虚像が１つに合成された合成画像を第１〜第５の視野領域θ１〜θ５により構成される観察視野内で観察することができる。第１、第４及び第５の視野領域θ１，θ４，θ５の合成視野は、水平方向においてｚ軸を中心とした視野領域であり、第２及び第３の視野領域θ２，θ３のそれぞれよりも広い。
【０１３３】
本実施例の観察光学系３００は、同一の偏心断面を有する光学系を２組有している。同一の偏心断面Ｂを有する第１及び第４の光学系１１，１４は、垂直方向において第５の光学系１５を挟んだ互いに反対側に配置されている。また、同一の偏心断面Ａを有する第２及び第３の光学系１２，１３は、水平方向において第５の光学系１５を挟んだ互いに反対側に配置されている。このため、第１及び第４の光学系１１，１４間と第２及び第３の光学系１２，１３間において、一方の画像形成素子からの光束が他方の画像形成素子に入射し反射されて射出瞳Ｓに導かれる不要光は発生しにくい。したがって、フレア等による画質劣化は生じにくい。
【０１３４】
図９の断面Ａ，Ｂに現れているように、観察光学系３００の背面側における第５の光学系１５（素子１５２）と第１〜第４の光学系１１〜１４との境界には、段差部１０１〜１０４が形成されている。段差部１０１〜１０４の面（素子１５２の上下左右の面）はそれぞれ、観察光学系３００の射出瞳Ｓの中心に向かう方向に延びる形状を有することが好ましい。これにより、原画の繋ぎ目での画像の欠けや輝度低下が生じないように画像合成を行うことが可能となる。
【０１３５】
また、段差部１０１〜１０４には遮光膜を形成して、エッジ散乱や迷光による不要光の発生を抑制することが好ましい。
【０１３６】
本実施例の観察光学系３００では、図９に示す断面Ｂの方向において３つの光学系１１，１４，１５が設けられている。これら３つの光学系１１，１４，１５によって形成される合成画像の中心は、視軸であるｚ軸に対して一致していることが好ましい。これにより、第５の原画に対応する第５の視野領域と第１及び第４の原画に対応する第１及び第４の視野領域との境界が観察者の弁別視野から外れる。このため、このため、一般的な観察状態において最も高い解像力が要求される合成画像の中心付近で、合成画像を構成する画像間の繋ぎ目で生じた画像の不連続や輝度低下あるいは不要光による画質劣化が認識されにくい観察光学系を構築することができる。また、第５の光学系により形成される第５の視野領域は、観察者の有効視野を超えているとより好ましい。
【０１３７】
本実施例の観察光学系３００は、４つの原画からの光束の光路を４つの偏心光学系１１〜１４によって偏心断面内で折り畳む。そして、該４つの原画に対応する４つの画像と、共軸光学系１５を介した１つの原画に対応する１つの画像とを合成して１つの合成画像として観察させる。このため、各光学系の厚みに対して観察光学系の全体により提示できる画角がきわめて広い。
【０１３８】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【０１３９】
例えば、実施例１〜４では、観察光学系が直角に交差する２つの偏心断面を有する場合について説明したが、偏心断面の交差する角度は直角でなくてもよい。ただし、直角に交差させることで、観察光学系の製作が容易であるとともに、画像供給装置５０１から入力された画像データを複数の視野領域に対応する複数の原画に分割する処理が容易となる等の観点から、好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の実施例１であるＨＭＤの観察光学系の上面断面図、側面断面図及び背面図。
【図２Ａ】実施例１における第２の原画の例を示す図。
【図２Ｂ】実施例１における第１の原画の例を示す図。
【図２Ｃ】実施例１における第３の原画の例を示す図。
【図２Ｄ】図２Ａ〜図２Ｃに示す原画の合成画像の例を示す図。
【図３Ａ】実施例１における合成画像の他の例を示す図。
【図３Ｂ】実施例１における合成画像の他の例を示す図。
【図３Ｃ】実施例１における合成画像の他の例を示す図。
【図４Ａ】実施例１における第２の原画の別の例を示す図。
【図４Ｂ】実施例１における第１の原画の別の例を示す図。
【図４Ｃ】実施例１における第３の原画の別の例を示す図。
【図４Ｄ】図４Ａ〜図４Ｃに示す原画の合成画像の例を示す図。
【図５】本発明の実施例２であるＨＭＤの観察光学系の上面断面図、側面断面図及び背面図。
【図６Ａ】実施例２における左眼用の第２の原画の例を示す図。
【図６Ｂ】実施例２における左眼用の第１の原画の例を示す図。
【図６Ｃ】実施例２における右眼用の第１の原画の例を示す図。
【図６Ｄ】実施例２における右眼用の第２の原画の例を示す図。
【図６Ｅ】図６Ａ〜図６Ｄに示す原画の合成画像の例を示す図。
【図７】本発明の実施例３であるＨＭＤの観察光学系の上面断面図、側面断面図及び背面図。
【図８Ａ】実施例３における第３の原画の例を示す図。
【図８Ｂ】実施例３における第１の原画の例を示す図。
【図８Ｃ】実施例３における第４の原画の例を示す図。
【図８Ｄ】実施例３における第２の原画の例を示す図。
【図８Ｅ】図８Ａ〜図８Ｄに示す原画の合成画像の例を示す図。
【図９】本発明の実施例４であるＨＭＤの観察光学系の上面断面図、側面断面図及び背面図。
【図１０Ａ】実施例４における第３の原画の例を示す図。
【図１０Ｂ】実施例４における第１の原画の例を示す図。
【図１０Ｃ】実施例４における第４の原画の例を示す図。
【図１０Ｄ】実施例４における第４の原画の例を示す図。
【図１０Ｅ】実施例４における第５の原画の例を示す図。
【図１０Ｆ】図１０Ａ〜図１０Ｅに示す原画の合成画像の例を示す図。
【符号の説明】
【０１４１】
１１，１２，１３，１４  偏心光学系
１５  共軸光学系
２１，２２，２３，２４，２５  画像形成素子
【図３Ｃ】
0005268342.tif 000002
【図８Ａ】
0005268342.tif 000003
【図８Ｂ】
0005268342.tif 000004
【図８Ｃ】
0005268342.tif 000005
【図８Ｄ】
0005268342.tif 000006
【図８Ｅ】
0005268342.tif 000007
【図１】
0005268342.tif 000008
【図２Ａ】
0005268342.tif 000009
【図２Ｂ】
0005268342.tif 000010
【図２Ｃ】
0005268342.tif 000011
【図２Ｄ】
0005268342.tif 000012
【図３Ａ】
0005268342.tif 000013
【図３Ｂ】
0005268342.tif 000014
【図４Ａ】
0005268342.tif 000015
【図４Ｂ】
0005268342.tif 000016
【図４Ｃ】
0005268342.tif 000017
【図４Ｄ】
0005268342.tif 000018
【図５】
0005268342.tif 000019
【図６Ａ】
0005268342.tif 000020
【図６Ｂ】
0005268342.tif 000021
【図６Ｃ】
0005268342.tif 000022
【図６Ｄ】
0005268342.tif 000023
【図６Ｅ】
0005268342.tif 000024
【図７】
0005268342.tif 000025
【図９】
0005268342.tif 000026
【図１０Ａ】
0005268342.tif 000027
【図１０Ｂ】
0005268342.tif 000028
【図１０Ｃ】
0005268342.tif 000029
【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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